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단순히 암석이 부서진 것이 흙이 아니다. 기후나 식생, 지형 등에 따라 복잡한 유기적 과정을 거쳐 흙은 탄생한다.

흙에 관한 생각과 정서는 사람마다 큰 차이를 보인다. 그러나 과거 20~30년전까지만 해도 농사를 주업으로 했던 우리 민족에게 있어 흙이 가지고 있는 의미는 매우 각별한 것이다. TV를 통해서 볼 수 있는 장면들, 예를 들면 이민을 간 사람들이 고향의 흙을 간직하고 때때로 꺼내보면서 오열하는 것이나, 백두산의 흙과 한라산의 흙을 섞으면서 통일을 염원하는 행위 등은 우리 민족의 정서에 비추어 볼 때 전혀 이상할 것이 없다.

전인구의 70％ 이상이 도시생활을 하고 있는 이른바 산업사회에서도 흙을 '옷을 더럽히는 오물정도'로 생각하는 사람보다 고향을 느끼게 하는 매개체로 생각하는 사람들이 우리 주변에는 훨씬 많지 않을까.

그러나 우리에게 그토록 친밀하고 어디서나 쉽게 볼 수 있는 것이 흙이라 해도 "흙이란 무엇이며, 어떻게 만들어지는가?" 라는 질문에 간단하게 답할 수 있는 사람은 많지 않다. 특히 흙이 보다 과학적인(?) 용어인 토양이 되고 나면, 그 개념을 정의하고 특성을 기술하기가 더욱 어려워진다. 토양이라고 부를 수 있는 물질의 분포 및 형태적 특성이 워낙 다양할 뿐 아니라, 사용목적에 따라 여러가지로 정의될 수 있기 때문이다.

농경이 인간의 주된 생산양식일 때에는 농작물이나 식물이 자라는 매개체로서 토양이 정의되고 비옥도로 그 가치가 판단됐다. 식물성장에 필요한 토양에 관한 연구는 이미 4, 5천년 전부터 시작됐고, 그에 따라 토양분류가 이루어졌다. 그러나 점차 자연과학이 발달하고 도시와 기반시설들의 건설이 진행되면서, '암석이 풍화되어 만들어진 고화(固化)되지 않은 지표피복물질(地表被服物質)'이라는 지질학적, 공학적인 토양 개념이 보다 보편화되기 시작했다. 여기에는 전자에서 정의된 토양뿐 아니라 바닷가나 하천의 퇴적물, 심지어는 달표면에 있는 먼지들까지도 토양에 포함시킨다.

토양화 작용
 

그러나 이러한 정의들에서는 토양이 환경의 지속적인 영향하에서 나름대로의 독자적인 특성을 발전시키고 있다는 측면이 간과되고 있다. 최근에는 토양을 '유기적인 특성을 지닌 독립적인 자연체'로 보고, 그 개념을 보다 동적으로 정의하고 있다. 즉 토양은 "환경요인인 기후(수분 및 온도) 생물 지형 등이 일정 기간동안 지속적으로 작용하여 만들어진, 모재(母材)와는 형태적 물리적 화학적 생물학적 제반 특성을 달리하는 지표상의 비고화(非固化) 물질"로 규정된다. 이러한 정의하에서는 바닷가의 모래나 달표면의 물질들은 진정한 의미에서의 토양은 아니며, 단지 퇴적물에 불과한 것이다. '독립된 자연체로서의 토양'의 개념이 처음 제시된 것은 인간의 토양 이용 역사에 비추어볼때 최근이라고 할 수 있는 1870년대다. 러시아의 토양학자 도쿠체프(Dokuchaev)는 많은 곳을 여행하면서 지구상에는 여러 종류의 토양이 있으며, 기후 식생 지형의 차이에 따라 특징적인 토양형이 형성된다는 사실에 주목했다. 현재 토양학의 아버지로 추앙받고 있는 도쿠체프는 단순히 암석이 부숴지는 작용과는 구분되는 토양화작용(土壤化作用, pedology, soil science)을 다른 학문과 구별했다.

토양화작용을 논의하기 위해 토양의 구성과 그 특성을 간략하게 살펴보자. 토양은 무기물과 유기물, 토양수분 공기 등의 혼합물이다. 이들의 구성비는 토양에 따라 큰 차이를 보이지만, 대체로 무기물이 전체의 50％ 내외, 유기물이 5％ 내외, 수분과 공기가 각각 25％ 정도를 차지한다.
토양을 구성하는 무기물은 주로 지표상의 암석이 잘게 부숴지고 변질되는 풍화작용(風化作用)으로 만들어진 것이다. 풍화물이라고 불리는 이들 광물은 풍화된 자리에서 혹은 하천이나 바람, (우리나라에서는 찾아보기 어렵지만) 빙하 등으로 운반되어 쌓인 후에 토양화작용을 받기 시작한다.

무기물 부분은 주로 자갈 모래 실트 점토 콜로이드로 이루어져 있으며, 이중에서 모래와 실트, 점토의 상대적인 비율에 의해 토양의 조성이 결정된다. 야외에서 토양을 관찰할 때 알갱이를 눈으로 확인할 수 있으면 모래, 육안으로 볼 수는 없지만 입에 넣어 씹었을 때 스걱스걱한 느낌을 주면 실트, 그렇지 않고 밀가루와 같은 매끈한 느낌이 들면 점토라고 볼 수 있다. 그러나 이보다 작은 콜로이드 입자는 현미경으로도 관찰이 어렵다.

토양을 구성하는 또 다른 중요 요소인 토양유기물은 토양내에서 미분해된 상태로 남아 있는 동식물 사체(死體)의 잔류물과 그것이 변질되어 만들어진 고분자 유기화합물인 부식(腐植, humus), 그리고 동식물의 신진대사물질을 의미한다. 토양유기물은 토양의 비옥도를 결정해주는 가장 중요한 요인이며, 토양구조를 형성하고 토양수분의 함유량을 높이는 역할을 한다.

토양수분은 토양입자들과 결합돼 있거나 혹은 입자들 사이에 존재하는 물이다. 토양수는 중력이나 토양내의 모세관 현상에 의해 토양속을 이동하면서, 토양 안에서 일어나는 각종 물리적 화학적 생물학적 작용을 일으키거나 조절하는 역할을 한다.

토양공기는 무기물과 유기물, 토양수 사이의 빈틈을 채우고 있는 것으로, 그 일반적 특성은 대기의 화학적인 조성과 유사하다. 그러나 유기물이 부패할 때 만들어지는 이산화탄소의 농도는 대기보다 훨씬 높다. 토양공기는 토양내에 정체된 것이 아니라 대기와 항상 교환되고 있다.
 

토양색은 어떻게 결정되나

토양구성물질들은 무질서하게 분포하는 것 같지만 비교적 일정한 법칙하에서 움직이고 있으며, 그 사이의 물리 화학적 작용에 따라 토양색 토양구조 토양층 등과 같은 토양특성이 결정되는 것이다. 이중에서 야외에서 토양을 관찰할 때, 가장 관심을 끄는 것은 토양색이다.

우리나라 산지의 토양에서 흔하게 볼 수 있는 토양의 색은 갈색이지만, 논으로 이용되는 토양의 경우에는 검은색 혹은 흑청색을 띤다. 그리고 중서부지역의 구릉지나 농경지에는 붉은 색의 토양이 광범위하게 분포하고 있다.

이러한 토양색은 어떻게 만들어지는 것일까? 때에 따라 토양의 모재가 되는 암석 혹은 퇴적물의 색이 토양에 그대로 반영될 수 있지만, 토양화작용이 진행돼 어느 정도 성숙한 토양이 되면 모재보다는 다른 요인으로 토양색이 결정된다.

토양내에 포함된 유기물의 함량은 토양색을 결정하는 직접적인 요인으로, 부식의 함량이 증가함에 따라 흰색에서 갈색 검은색으로 토양색이 변한다. 이와는 달리 붉은색과 노란색의 경우에는 주로 토양내에 있는 철분의 함량과 화학적인 상태에 따라 결정된다. 예를 들어 철분이 산화된 이삼산화철(${Fe}_{2}$${O}_{3}$)은 붉은색을 띠게 되며, 노란색의 경우에는 이러한 철분이 물과 결합될 때 나타난다.

붉은색의 흙은 대체적으로 토양내의 배수가 용이하고 습윤한 기후지역에서 잘 나타나는 것으로 알려지고 있다. 반대로 암회색이나 푸른색 계통의 토양색은 철분이 환원된 상태(FeO)로 존재하는 경우에 나타나며, 배수가 불량한 지역의 토양이 주로 이런 색을 띤다.

토양을 주의깊게 관찰해보면 토양입자들이 일정한 구조를 가지고 있다는 것을 쉽게 알 수 있다. 토양입자들이 점토와 유기물 콜로이드, 산화철, 생물이 분비하는 점성물질(粘性物質) 등을 매개로 특징적인 배열을 이루고 있는 것이다. 모든 토양이 이와 같은 토양구조를 가지고 있는 것은 아니지만, 구조를 가진 토양의 경우에는 그 형태가 구상(球狀) 판상(板狀) 괴상(塊狀) 주상(柱狀)으로 대별된다. 토양구조의 형성에 있어 중요한 요인으로는 미생물의 활동, 토양내 건조와 습윤의 반복, 동결과 해동의 반복, 인간에 의한 토지이용 등이 있다.

그러나 이 모든 경우에서 토양구조의 형성에 가장 중요한 역할을 하는 것은 토양수분이다. 한 예로 토양내에서 얼음의 결정이 일단 만들어지면, 밀도차에 의해 주변 토양의 수분을 끌어 당겨 점차 성장한다. 얼음결정의 성장은 주위에 압력을 가해 새로운 토양구조를 형성하거나, 유기물을 탈수시켜 점착력(粘着力)을 증가시키게 된다.

토양의 또 다른 형태적 특성으로는 한 토양단면에서 색이나 토양의 조성이 다른 토양층(soil horizon)이 만들어진다는 사실이다. 토양층이 만들어지는 이른바 토양층의 분화는 토양의 성숙정도와 토양이 형성되는 환경의 특성을 알려주는 중요한 척도가 되고 있다. 토양층이 잘 발달했을 경우에 나타나는 층은, 지표에서부터 O층 A층 B층 C층 R층으로 구분된다.

토양층은 토양의 특성에 따라 보다 세분되기도 하지만, 우리나라와 같은 갈색산림토의 경우에는 야외에서 명확한 층분화를 관찰할 수 없는 경우가 많다. O층은 나뭇잎이나 풀등이 부분적으로 부패되어 쌓여 있는 층으로 무기물의 구성비율이 50％미만을 차지하고 있다. A층은 토양수에 의해 광물질이 용탈(溶脫)된 층으로, 유기물이 부식화돼 짙은 색을 띠는 경우가 많다.

A층으로부터 용탈돼 내려오는 점토나 가용성 염기, 부식은 대부분 토양층내에서 15-50㎝ 정도 밖에는 이동될 수 없다. 따라서 이들 물질이 집적(集積)되는 B층이 A층의 하부에 형성된다. A층과 B층이 토양화작용의 영향을 받은 층인데 반해, C층은 토양의 모재가 되는 퇴적물 혹은 암석의 풍화물이 그대로 쌓여 있는 층을 의미한다. 그리고 그 아래에 있는 R층은 토양형성작용이나 풍화작용을 받지 않은 기반암이다.
 

끊임없는 주고 받음

토양의 형태적인 발달에 관한 이상의 설명에서 토양화작용에 대한 개략적인 내용들을 알 수 있을 것이다. 일반적으로 토양내에서 일어나고 있는 토양화작용에는 토양 안으로의 유입과 토양 밖으로의 유출현상, 그리고 토양내에서 일어나는 변환과 이동현상이 있다.

토양상부에서는 태양에너지와 수분, 기체, 동식물의 활동에 의한 유기물, 각종 퇴적물 등이 지속적으로 유입된다. 반면에 증발산(蒸發散)에 의한 토양수분, 탈질작용(脫窒作用)에 의한 질소, 유기물의 분해에 의한 탄소, 복사에 의한 에너지 등은 토양에서 대기로 유출되는 것들이다. 그리고 지하수층이나 다른 곳으로 이동되는 토양수와 함께 토양내의 염기와 미립물질들이 함께 빠져나가고 있다.

이상이 토양시스템이 그 외부시스템과 가지는 반응이라고 한다면, 토양내에서는 유입된 물질과 에너지에 의한 구성물질의 변환과 이동작용이 복합되어 나타난다. 변환작용으로는 유기물이 미생물에 의해 분해되거나 부식화되는 현상과, 풍화작용에 의한 광물의 입자크기 감소, 점토와 같은 2차광물의 형성, 토양입자의 재배열에 의한 토양구조의 형성 등이 포함된다.

그리고 토양내에서의 이동현상으로는 아래로 혹은 옆으로 흐르는 토양수의 이동에 따른 점토와 유기물의 이동과 식물에 의한 영양염류(營養鹽類, nutrient)의 순환, 가용성염의 용탈과 집적, 토양생물에 의한 토양층의 교란현상이 있다. 이러한 변환과 이동과정은 유출입되는 물질과 에너지의 특성, 즉 토양을 둘러싸고 있는 환경요인에 의해 그 작용정도가 결정된다.

토양화작용은 토양이 위치한 곳의 환경과 밀접한 연관을 가지고 있으며, 수시로 변하는 환경요인과 평형을 유지하려는 방향으로 진행되고 있다. 도쿠체프에 의해 토양형성작용의 이러한 측면이 제기되고 난 후, 토양학자들은 토양의 특성을 결정하는 환경요인과 그 사이의 정량적인 관계를 파악하고자 노력하고 있다. 토양의 특성을 결정하는 환경요인을 토양결정요인(土壤決定要因, state factor)이라고 하며, 여기에는 모재 기후 식생 지형 시간 등이 포함된다.

토양모재가 되는 풍화물 혹은 퇴적물에 포함된 광물과 구성원소의 특성은 토양발달정도를 규제하는 중요한 요인이다. 토양사이를 흐르는 물은 풍화물내의 수소이온교환을 통해 칼슘(Ca) 나트륨(Na) 마그네슘(Mg) 등의 가용성 염기들을 용탈시키는 반면, 규소(Si) 철(Fe) 알루미늄(Al) 등과 같은 용해가 잘 되지 않는 물질들을 토양내에 잔류시킨다. 그리고 암석을 구성하는 광물들은 결정구조나 구성원소에 따라 풍화 및 토양화작용에 의해 변환되는 정도가 크게 차이가 난다. 따라서 모재의 특성에 의해 토양의 비옥도와 발달정도가 크게 달라질 수 있다.

예를 들어 규소와 알루미늄 산화물의 구성비가 80％를 넘는 화강암(花崗岩)이나 풍화가 잘되지 않는 광물들로 이루어진 사암(砂岩)의 경우에는 토양의 발달이나 비옥도가 극히 낮다. 반면에 석회암(石灰岩)과 같이 칼슘과 마그네슘이 풍부한 암석에서는 비옥한 토양이 만들어진다.
과거에는 토양이 모재의 특성을 그대로 이어 받는다는 생각이 지배적이었다. 그러나 토양학이 점차 발전함에 따라, 토양모재는 미발달상태의 미성숙토에 중요한 영향을 미치지만 특정한 기후가 지속적으로 작용하여 만들어진 성숙토에서는 토양모재와는 전혀 다른 별개의 토양이 만들어진다는 사실이 밝혀졌다.

기후의 영향이 이처럼 중요해지는 근본원인은, 기후요소인 강우량과 온도, 공기의 상대적인 습도가 토양화작용뿐 아니라, 토양발달에 영향을 미치는 풍화작용 및 토양침식작용과도 밀접한 연관이 있기 때문이다. 그 결과 현재 세계 각지에서 발달하고 있는 중요한 토양형은 기후대의 분포에 의해 결정되고 있다.

토양에서 식생의 역할은 단순히 유기물을 공급한다는 것 이상의 의미를 가진다. 토양유기물의 공급원이 비단 식생에 국한된 것은 아니지만, 장기적인 측면에서 보면 토양미생물이나 동물보다는 식생이 토양의 발달과 생성에 보다 중요한 영향을 미치고 있다. 식생은 토양으로부터 각종 영양염류와 수분을 흡취하여 성장하는 반면, 뿌리를 통해 질소고정작용을 하고 낙엽이나 열매를 통해 토양내에서 부족한 무기물들을 재공급하는 역할을 수행한다. 그리고 토양을 덮고 있는 식생은 토양의 침식을 방지하고 수분함량을 높여, 토양발달이 지속적으로 이루어지게 한다.

토양의 특성을 결정하는 또 다른 요인으로는 지형을 들 수 있다. 경사가 급한 지점에서는 토양이 얇고 토양층의 발달이 불량하지만, 평탄한 곳에서는 비교적 뚜렷한 토양발달과 함께 깊은 토양층이 만들어져 있는 것을 쉽게 관찰할 수 있다. 이러한 차이는 지형이 토양의 유실속도에 영향을 주며, 토양내의 수분보유량과 토양수의 이동경로를 결정해주기 때문에 생기는 현상이다.

즉 경사가 급한 지역에서는 토양이 빗물 등에 씻겨내려 가는 양이 많을 뿐 아니라, 토양내의 구성물질도 토양수를 따라 경사가 낮은 지역으로 빠져 나간다. 반면 경사가 낮은 지역에서는 토양유실이 제한되고, 오히려 토양화작용에 필요한 물질들을 외부에서 공급받을 수 있다. 경사지의 토양에서는 이러한 지형차이에 의해 일련의 연속적인 사면토양군(斜面土壤群), 즉 카테나(catena)가 형성된다.

토양의 발달정도를 결정하는 요인 중 가장 다루기 어려운 문제는 시간이다. 오랜 기간 토양형성작용을 받으면 토양이 잘 발달할 것이라는 논리는 당연한 것이지만, 환경특성에 따라 이러한 논리가 쉽게 적용되지 않는 경우가 많다. 예를 들면 열대 습윤지역인 인도네시아에서 1893년에 분출한 크라카타우 화산에서는 화산재 위에서 1년에 약 1㎝정도 두께의 토양이 형성된 것으로 보고되고 있다.

반면 건조지역인 아메리카 중부의 화산지역에서는 1천년동안 불과 30㎝ 정도의 토양층밖에는 발달하지 않았다는 것이다.

그리고 시간개념의 적용에 있어 또 다른 난점은, 우리 주변에서 관찰할 수 있는 대부분의 토양이 수천년 혹은 수만년 전부터 서서히 형성되기 시작하여 오늘에 이르렀다는 사실이다. 이것은 이기간 동안에 지구상에서 나타났던 기후변동과 지형 수문 식생의 변화가 토양내에 직접 내지 간접적으로 반영되어 있다는 것을 의미한다. 따라서 우리 주변의 토양은 여러가지 환경변화의 영향하에서 형성된 다성인토양(多成因土壤, polygenetic soil)인 경우가 많으며, 곳에 따라서는 현재의 기후와는 관계없이 과거에 형성된 뒤 오늘날까지 유지되는 이른바 고토양(古土壤, paleosol)일 수도 있다. 이러한 요인들은 토양의 성인과 발달과정의 연구에 큰 장애요인이 되고 있다.